張連濱，魯守銀，曹正彬，劉傳澤，周玉成

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

負(fù)重爬樹機(jī)器人設(shè)計及有限元分析

張連濱，魯守銀，曹正彬，劉傳澤，周玉成

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

針對農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜的樹木檢測環(huán)境，設(shè)計一種仿蠕蟲爬行負(fù)重爬樹機(jī)器人。通過提升機(jī)構(gòu)的伸縮運動改變自身形態(tài)，以實現(xiàn)對樹干的豎直攀爬運動；通過夾緊機(jī)構(gòu)中推桿的伸縮，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對樹干的夾持力；同時，對機(jī)器人在不同直徑或傾斜度的樹木攀爬時進(jìn)行靜力學(xué)分析，使機(jī)器人可根據(jù)得到的夾緊力范圍自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高機(jī)器人攀爬的穩(wěn)定性和運動的靈活性。最后，通過ANSYS軟件對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的負(fù)重機(jī)器人攜帶檢測設(shè)備爬樹時，機(jī)器人總變形量最大值為5.24mm，符合結(jié)構(gòu)安全性要求，且承載最大應(yīng)力為100Mpa，符合機(jī)器人所選材料安全性要求，進(jìn)而驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性。

負(fù)重爬樹機(jī)器人；提升機(jī)構(gòu)；夾緊機(jī)構(gòu)；有限元分析

0 引言

爬樹機(jī)器人作為高空環(huán)境下工作的特種機(jī)器人，已廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、古建筑等領(lǐng)域，代替人類完成無損檢測、監(jiān)控觀察、維修檢測等工作[1～4]。目前，爬樹機(jī)器人主要采用機(jī)械手臂環(huán)抱、吸附或夾持被攀爬物的方式，完成承載設(shè)備穩(wěn)定攀爬的動作。所以攀爬機(jī)器人普遍具備移動能力、吸附能力和承載能力，承載能力是攀爬機(jī)器人的必要條件，也是目前國內(nèi)外的研究重點[5]。

國外對爬樹機(jī)器人的研究很多，如日本早稻田大學(xué)研制WOODY-1 爬樹機(jī)器人，該機(jī)器人通過兩個環(huán)形夾持器的交替運動使得機(jī)器人沿著樹干上下移動[6]。由于機(jī)器人過于笨重且體型龐大極易對樹木造成損傷。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli等[7]成功研制出了一款爬樹機(jī)器人3D Climber，機(jī)器人由一個4自由度的串聯(lián)攀爬機(jī)構(gòu)和二個夾持機(jī)構(gòu)組成，通過電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)夾持動作。國內(nèi)香港中文大學(xué)Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[8]研發(fā)了一種小巧的爬樹機(jī)器人Treebot，該機(jī)器人具有較高的自由度和優(yōu)越的擴(kuò)展能力，同時還配備全方位的樹木夾持器，使機(jī)器人粘附于不同直徑的樹木，適應(yīng)復(fù)雜的攀爬環(huán)境。但以上機(jī)器人載重能力較小，有的幾乎不能承載重物，滿足不了攜帶設(shè)備攀爬的需求。

本文提出團(tuán)隊開發(fā)的負(fù)重爬樹機(jī)器人，既可通過提升機(jī)構(gòu)的伸縮動作實現(xiàn)對樹干的豎直攀爬運動，又可通過夾緊機(jī)構(gòu)中推桿電機(jī)的伸縮，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對樹干的夾持力；通過對機(jī)器人進(jìn)行建模和有限元分析，驗證設(shè)計的合理性。所設(shè)計的機(jī)器人可攜帶檢測樹木內(nèi)部結(jié)構(gòu)的儀器完成載物攀爬工作，對于古木建筑（如故宮、布達(dá)拉宮）的無損檢測、農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜的樹木檢測等具有重要意義。

1 負(fù)重爬樹機(jī)器人簡介

1.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

圖1為本文研發(fā)的負(fù)重爬樹機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖。所設(shè)計的攀爬機(jī)器人采用可拆分半圓對稱結(jié)構(gòu)，主要包括主體、副體、連接體和旋轉(zhuǎn)體。

圖1 爬樹機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

主體上裝備夾緊裝置，副體上裝備加緊裝置和提升裝置。夾緊裝置由四組結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的驅(qū)動單元構(gòu)成，每個驅(qū)動單元可獨立控制，完成夾緊或放松樹干動作。提升裝置由三組結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的獨立驅(qū)動單元構(gòu)成，每個驅(qū)動單元包括電機(jī)、升降機(jī)、伸縮桿和位移傳感器。旋轉(zhuǎn)檢測裝置攜帶樹木檢測裝置完成載物和檢測功能。

1.2 機(jī)器人工作原理

負(fù)重攀爬機(jī)器人爬樹過程可分為四個階段。在樹下安裝機(jī)器人，使其中軸線和樹木中軸線重合，并做好攀爬前的準(zhǔn)備工作。第一階段啟動夾緊裝置，主體夾緊裝置推桿向機(jī)器人中軸線方向前進(jìn)，直至夾緊樹干，副體夾緊裝置推桿向外移動，完成放松動作。第二階段啟動提升裝置，主體穩(wěn)固不動，副體緩慢上升，主副體之間位移減小，達(dá)到設(shè)定值后提升裝置停止，副體夾緊裝置啟動，機(jī)器人固定于樹干上。第三階段主體夾緊裝置啟動，推桿向外移動放松樹干，直至壓板觸碰后光電限位開關(guān)，推桿停止運動，完成主體放松動作。第四階段提升裝置啟動，主副體間推桿長度增加，副體夾緊樹干不動，主體上升至設(shè)定值后停止運動，夾緊裝置啟動夾緊樹干。至此機(jī)器人完成一次攀爬運動，之后重復(fù)此過程可繼續(xù)向上攀爬。攀爬過程中，夾緊裝置壓板表面硫化橡膠墊，橡膠墊和樹木表面接觸，起到減震和防止滑動的效果，確保機(jī)器人在攀爬過程中穩(wěn)穩(wěn)抓住樹干，進(jìn)而提高機(jī)器人運動穩(wěn)定性。

2 負(fù)重爬樹機(jī)器人設(shè)計及分析

2.1 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計

樹木由樹根、樹干和樹冠構(gòu)成，而樹干并非規(guī)則圓柱體。因此機(jī)器人在沿樹干上下攀爬過程中，一方面要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大程度降低并均勻分布機(jī)器人自身重量。另一方面，夾緊裝置必須提供足夠大的夾持力，保證機(jī)器人在攀爬過程中不會向下滑動或跌落[9]。

爬樹機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)主要由夾緊電機(jī)、推桿、壓板組成。推桿帶有T型螺紋，以保證在夾緊狀態(tài)下推桿不會后退。壓板為運動部件，黏貼厚度為4mm的硫化橡膠墊增大摩擦力，吸收機(jī)器人夾緊樹干時產(chǎn)生的沖擊和震動。同時在壓板上安裝壓力傳感器，機(jī)器人可通過夾緊裝置中推桿電機(jī)的伸縮和壓力傳感器的作用，控制各夾緊機(jī)構(gòu)對樹干的夾持力。圖2為夾緊裝置裝配在攀爬機(jī)器人主體上的照片，四組夾緊裝置驅(qū)動單元圍繞主體的中心軸線均勻分布，相互之間夾角相等均為90°，推桿垂直與主體中心軸線，沿水平方向前后運動，完成夾緊樹干和放松樹干的動作。

圖2 爬樹機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)圖

2.2 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計

連接體由三個電動升降機(jī)構(gòu)成，三個升降機(jī)的兩端分別垂直連接到主體、副體的兩個圓形框架平面上，且成120°均勻分布，可實現(xiàn)對副體的頂升和主體的提拉。

圖3 爬樹機(jī)器人提升機(jī)構(gòu)圖

為了保證提升機(jī)構(gòu)的頂升、提拉力度，選用德州啟泰機(jī)械設(shè)備有限公司訂制提升電機(jī)，其水平關(guān)節(jié)行程200mm，最大輸出力8000N，減速比為16:1，垂直關(guān)節(jié)行程400mm，最大輸出力2000N，減速比為4:1，均為鋁合金外殼加鍍膜（銀白色），重量約為5kg。

2.3 爬樹機(jī)器人靜態(tài)分析

圖4 主體靜態(tài)分析

為方便說明，本文以副體為例來進(jìn)行受力分析。如圖4所示，假設(shè)樹干與地面的夾角為θ，夾緊機(jī)構(gòu)推桿垂直與樹干中軸線方向，壓板與樹干表面之間的摩擦因數(shù)為μ，機(jī)器人在攀爬過程中主體受力情況如圖4所示。G0為機(jī)器人本體及負(fù)載重量分量；F1、F3分別為1、3號電機(jī)推桿前進(jìn)驅(qū)動力，它是電機(jī)驅(qū)動升降機(jī)產(chǎn)生的推力；f為沿樹干方向向上的力；根據(jù)受力平衡原理分析，1、3號推桿對樹干夾持力大小相等為F。

由以上分析可知：在夾持力F固定的條件下，最小推桿前進(jìn)驅(qū)動力只與摩擦因數(shù)μ、機(jī)器人本體及負(fù)載重力分量G0、樹干與地面間夾角θ有關(guān)。重力分量G0、夾角θ與推桿驅(qū)動力成正比，摩擦因數(shù)μ與推桿驅(qū)動力成反比。因此，應(yīng)盡可能減小機(jī)器人自身重量，選擇摩擦因數(shù)大的材料。

當(dāng)θ=90°時，樹干與地面垂直：

當(dāng)夾角為θ固定條件下，機(jī)器人靜止時有下滑趨勢，要滿足夾緊條件使機(jī)器人不下滑，應(yīng)滿足：

橡膠與木材的摩擦因數(shù)μ=0.6-0.8[10]，機(jī)器人自身質(zhì)量約100kg，根據(jù)式(1)、式(2)可設(shè)置合理的夾緊力度，防止機(jī)器人下滑，進(jìn)而保證機(jī)器人負(fù)重攀爬的穩(wěn)定性。

3 機(jī)器人有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在SolidWorks中建立負(fù)重爬樹機(jī)器人的實體，即圖1所示的機(jī)器人機(jī)械圖，然后保存為Parasolid格式，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。建模采用國際單位制。在機(jī)器人爬樹過程中，主體夾緊樹干或者副體夾緊，所受的負(fù)載一樣，都是爬樹過程中最大的，選取機(jī)器人副體夾緊時的情況作為分析對象。

3.2 網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置

建立有限元模型時，整體框架裝置材料采用304不銹鋼，其彈性模量為194GPa，泊松比0.3，密度7.93g/cm3。接觸面選用Bonded和No Separation，根據(jù)參數(shù)設(shè)置將實體轉(zhuǎn)化為有限元模型，采用自由網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分。

根據(jù)負(fù)重機(jī)器人的設(shè)計要求，系統(tǒng)的承載能力為200kg，如圖5所示，在木樁底端施加固定支撐（圖中A處），對裝置加載2000N豎直向下的載荷（圖中B處）。

圖5 施加作用力圖

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)所建立的有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度計算[11]，得到負(fù)重機(jī)器人的總變形圖和應(yīng)力圖，如圖6所示。

圖6 負(fù)重機(jī)器人靜力分析結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)安全性評價

從圖6(a)可以看出，機(jī)器人最大變形處發(fā)生在發(fā)射器和液壓系統(tǒng)下面的旋轉(zhuǎn)支撐架，其旋轉(zhuǎn)平臺支架材料是304不銹鋼，最大變形△l=5.24mm，其彈性模量E=194GPa，連桿長度為300mm，則應(yīng)變?yōu)椋?/p>

在彈性階段可承受的最大形變：

由以上結(jié)果知，彈性階段最大形變6.79mm大于5.24 mm，所以應(yīng)變符合要求。

2）材料安全性評價

從圖6(b)可以看出，機(jī)器人最大應(yīng)力為100MPa，發(fā)生在支撐發(fā)射器和液壓系統(tǒng)的三腳架處。三腳架處采用304不銹鋼材料，其許應(yīng)力為137Mpa，大于機(jī)器人最大應(yīng)力100MPa，所以材料符合安全性要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種具有負(fù)重攀爬能力的爬樹機(jī)器人，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、靜力學(xué)分析和有限元分析驗證四個方面對機(jī)器人的實現(xiàn)做了詳盡的分析。所設(shè)計的夾緊機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人很好地實現(xiàn)在不同直徑的樹干向上向下攀爬；具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的夾緊機(jī)構(gòu)在爬桿時可以自行調(diào)節(jié)控制機(jī)器人對樹干表面的夾持力要求。經(jīng)有限元分析驗證，所設(shè)計的爬樹機(jī)器人結(jié)構(gòu)和材料均符合安全性要求；所設(shè)計的爬樹機(jī)器人可應(yīng)用于活立木、古建筑的無損檢測工作。同時，該設(shè)計是針對農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域而展開的攀爬機(jī)器人研究方面較好的應(yīng)用，為將來攀爬機(jī)器人走上產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展有重要的意義。

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Design and finite element analysis of load climbing robot

ZHANG Lian-bin, LU Shou-yin, CAO Zheng-bin, LIU Chuan-ze, ZHOU Yu-cheng

TP242

：A

1009-0134(2017)07-0069-04

2017-04-24

山東省泰山學(xué)者優(yōu)勢特色學(xué)科人才團(tuán)隊支持計劃（2015162）；國家自然科學(xué)基金項目（6140021031）；博士基金：基于X射線的木結(jié)構(gòu)建筑用材無損檢測系統(tǒng)研究（XNBS1622）

張連濱（1991 -），男，山東肥城人，碩士研究生，研究方向為智能控制與機(jī)器人系統(tǒng)。